天然水的性质和组成a

第二章天然水的性质和组成

本章要点：水质概况、天然水的组成、天然水的性质等

第一节水质概况

一、水资源和利用

地球上水的总量是固定的，约13.86亿km3，但可利用的淡水只占水总量的0.3％。虽然淡水资源有限，但如果时空分布得当，并保持恰当水质，还是可以满足全球目前和将来的淡水需要。遗憾的是，地球上淡水资源的时空分布极其不均匀，加上水污染日益严重以及工农业和生活用水量的增加，许多国家和地区出现了水资源严重短缺的局面。水的短缺和污染不仅影响了生物生存，而且直接或间接地给人类生存带来威胁和危害，同时也造成重大的经济损失。

当前主要的缺水类型有：资源型缺水、工程型缺水和水质型缺水。由于缺水，危害了农作物生长、并影响着工业生产、威胁着人体健康和生态、国家安全。

二、地球上水的分布

地球表面约有70％以上被水所覆盖，所以地球素有"水的行星"之称。地球上的水分布在海洋、湖泊、沼泽、河流、冰川、雪地、以及大气、生物体、土壤和地层。水的总量约为13.86亿km3(表2-1～2-2)，其中海水占96.5%，淡水为0.35亿km3，占总水量的2.35%。由于开发困难或技术、经济的限制，到目前为止，海水、深层地下淡水、冰雪固态淡水、盐湖水等很少被直接利用。比较容易开发利用的，与人类生活和生产关系密切的淡水储量为400多万km3，仅占淡水的11％，总水量的0.3％。

表2-1自然环境中的水量分布

我国地表水径流总量约2.8万亿m3，地下水资源约8000亿m3，冰川年平均融水量约500亿m3，近海海水约500万km3。我国目前可供利用的水资源量每年约有11000亿m3，平均每人占有地表水资源约2700m3，居世界第88位，仅为世界人均占有量的1/4。每亩土地占有地表水1755m3，只相当于世界平均水平的1/2。总的说来，我国淡水资源并不丰富，处于缺水状态，而且水资源的时空分布非常不均衡，东南多，西北少，耕地面积只占全国33％的长江流域和长江以南地区，水资源占全国的70％。我国许多地方缺水或严重缺水，水污染比较严重。另一方面，由于人口的剧增，工农业生产的迅速发展，我国和西方国家一样，也面临水质下降，水源不足的威胁。因此，控制水体污染，保护水资源已成为刻不容缓的任务。

三、水循环

自然界的水不仅受地球引力作用沿着地壳倾斜方向流动，而且由于水在太阳能和地球表面热能的作用下发生形态变化，蒸发的水分随着气流运行而转移，遇冷凝结成云或以降水形式到达地面，到达地表的水又重新蒸发、凝结、降落，这个周而复始的过程，称为水循环。仅在局部地区(陆地或海洋)完成的水的循环过程称为小循环。自海洋蒸发的部分水汽，随气流转移至陆地上空，并以降水形式达到地面后，经过江河湖泊或渗入地下，再归入海洋，这种海洋和陆地之间水的往复运动过程，称为水的大循环。环境中水的循环是大、小循环交织在一起的，并在全球范围内和地球上各个地区内不停地进行着。影响水循环的作用有三个基本因素：

(1)水的物理性质决定了水的循环成为可能；

(2)太阳辐射是水循环的源动力；

(3)循环路线的结构和性质，特别是地表循环途径的结构和性质，如地质地貌、土壤和生物等的类型和性质，它不但影响降水的分布和输送，而且还影响下渗及输水道的特性。

这些因素相互作用决定了天然水的循环方向和强度，造成了自然界错综复杂的水文现象。蒸发、降水、径流是水循环的基本要素。河川径流是人类用水的基本来源，它是地球上水循环较活跃的部分，世界河床蓄水量大约16d就可更换一次，因此它有很强的自净能力。

第二节天然水的组成

一、水体定义

在水污染化学中，水体指河流、湖泊、沼泽、水库、地下水、冰川、海洋等贮水体的总称。水体的组成不仅包括水，而且也包括其中的悬浮物质、胶体物质、溶解物质、底泥和水生生物，所以水体是个完整的生态系统，或是被水覆盖地段的自然综合体。区分水和水体是重要的。例如，重金属(如Pb、Cu、Cr、Zn、Cd等)污染物通过沉淀、吸附、螯合等途径，很容易从水相转移到底泥中，所以水中重金属的含量一般都不高。如果光从水来看，似乎没有受到污染，但整个水体可能受到严重污染。

二、天然水的组成

在水的自然循环中，地表径流部分水量虽然不大，但是它在自然界所起的作用十分巨大，在风化(包括物理、化学、生物风化)过程和水迁移过程中，输送了土壤中的矿物质和有机质，使天然水具有各种组分。天然水体中除水以外，还

有其他各种物质；根据它们在水中存在的状态不同，可将这些物质分为三类，即悬浮物质、胶体物质、溶解物质(见表2-3)。在此只讨论天然水体中溶解物质的种类及其存在形态。

表2-3 天然水体的组成

溶解在天然水中的物质大致可分为：主要离子、溶解气体、营养物质、微量元素和有机物质。溶解物质在水中的含量，除与物质和性质有关外，还与气候条件、水文特征、岩石与土壤的组成等因素有关。

天然水中一般含有可溶性物质和悬浮物质(包括悬浮物、颗粒物、水生生物等)。可溶性物质的成分十分复杂，主要是在岩石的风化过程中，经水溶解迁移的地壳矿物质。

1、天然水中的主要离子组成

K+、Na+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、NO3-、C1-和SO42-为天然水中常见的八大离子，占天然水中离子总量的95%~99％。水中的这些主要离子的分类，常用来作为表征水体主要化学特征性指标，如表2-4所示。

表2-4 水中的主要离子组成图(汤鸿霄，1979)

陆地水中下列成分的含量顺序一般为HCO3-＞SO42-＞Cl-，Ca2+＞Na+＞Mg2+，而海水中相应的含量顺序为Cl-＞SO42-＞HCO3-，Na+＞Mg2+＞Ca2+。地下水受局部环境地质条件限制，其优势离子变化较大。

天然水中常见主要离子总量可以粗略地作为水中的总含盐量(TDS)：TDS=[ Ca2++ Mg2++ Na++ K+]+[ HCO3-+ SO42-+ C1-]

由于水中阳离子的总当量数等于阴离子的总当量数，所以各种离子都以mmoL/L计算时，应该有

[2 Ca2++ 2Mg2++ Na++ K+]=[ HCO3-+ 2SO42-+ C1-]

2、水中的金属离子

水溶液中金属离子的表示式常写成M n+，预示着是简单的水合金属离子

M(H2O)x n+。它可通过化学反应达到最稳定的状态，酸-碱、沉淀、配合及氧化-还原等反应是它们在水中达到最稳定状态的过程。

水中可溶性金属离子可以多种形式存在。例如，铁可以Fe(OH)2+、Fe(OH)2+、Fe2(OH)24+和Fe3+等形态存在。这些形态在中性(pH=7)水体中的浓度可以通过平衡常数加以计算：

[Fe(OH)2+][H+]/[ Fe3+]=8.9×10-4

(2-1)

[Fe(OH)2+][H+]2/[ Fe3+]=4.9×10-7

(2-2)

[Fe2(OH)24+][H+]2/[ Fe3+]2=1.23×10-3

(2-3)

假如存在固体Fe(OH)3(s),则